ZZdedenněěk PŘEVOROVSKÝŘEVOROVSKÝ, · • Fowler and his colleagues at CARPmade the Felicity...

SHM KONSTRUKCÍ Z KOMPOZITŮ S VYUŽITÍM SHM KONSTRUKCÍ Z KOMPOZITŮ S VYUŽITÍM AKUSTICKÉ EMISE (AE)AKUSTICKÉ EMISE (AE)

a a NELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÉ SPEKTROSKOPIE (NEWSNELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÉ SPEKTROSKOPIE (NEWS)

ZdenZdeněěk Pk PŘEVOROVSKÝŘEVOROVSKÝ,

Seminář ČSMÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i.

Dolejškova 5, 182 00 Praha 8

www.it.cas.cz, E-mail: [email protected]

Nedestruktivní Testování - NDT

DEFEKTOSKOPIENDT, NDE, NDI, NDC

SHM (Structural Health Monitoring)

průběžné sledování okamžitého stavu konstrukce pomocí SHM systému (není to pouze NDT)NDT/NDE data slouží k vyvozování diagnostických závěrů na základě porovnávání okamžité

konstrukční odezvy s předchozími stavy a výpočtovým modelem.

Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Aplikace NDT obecně zahrnuje:• Inspekci výchozích produktů

• Inspekci následující po sekundárním zpracování

(Secondary Processing)

• Inspekci poškození během služby

Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015


Každé 4 roky:ECNDT (EFNDT)WCNDT (ICNDT)



Základní NDT metody (kompozity) symbol

Acoustic emission Testing (akustická emise) AT

Eddy current Testing (vířivé proudy) ET

Leak Testing (detekce úniků – zkoušky těsnosti) LT

Magnetic Testing (magnetické metody) MT


Penetration Testing (kapilární metody) PT

Radiographic Testing ( proza řovací metody ) (THz vlny ) RT

Ultrasonic Testing ( ultrazvukové metody ) UT

Visual Testing ( optické „vizuální“ metody )

Infrared Testing ( termografické metody ) (+ mikrovlny )

VT

IRT

NĚKTERÉ NOVĚJŠÍ METODY NDT/NDE KOMPOZITŮ

• Testování pomocí disperzních ("Guided") vln• Nelineární ultrazvuková spektroskopie (NEWS)• Časově reversní analýza UZ s bezkontaktním buzením i snímáním• SHM s FBG sensory• THz elektromagnetické vlny (0,3 - 6 THz)• Elektromagnetické mikrovlny (30 - 300 GHz)• Aktivní termografie (pulzní)


• Aktivní termografie (pulzní)• Počítačová rtg. tomografie (CT)• Laser - Ultrazvuková defektoskopie• Akustická (RAS) a ultrazvuková (RUS) rezonanční spektroskopie• Nelineární vibrační spektroskopie (NACE)• Lokální rezonance defektů (LDR)• Analýza mechanické impedance (MIA - Bond Testery)• Akustická, ultrazvuková a optická holografie• ...

a) Nejdůležitějším úkolem při návrhu SHM systému je rozpoznat,které změny je nutné sledovat a jak se mají identifikovat.

b) vývoj a použití vhodných senzorů pro NDT-NDE, ať již přímo zabudovaných nebo dodatečně instalovaných na konstrukci.

NÁVRH SHM SYSTÉMU

9Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

• Snímané veličiny musí ve vzájemné korelaci poskytovat dostatek podkladů pro posouzení okamžitého stavu či výrazných změn sledovaného objektu a také pro rozhodnutí zda vyhlásit varovný signál či nikoli.

• Autonomní provoz všech komponent musí být zcela automatizován bez nutnosti lidské obsluhy a častější nutnosti odborného zásahu.

• Použité technické prostředky musí zaručovat dlouhodobou spolehlivou funkci i v méně příznivých, či před-havarijních podmínkách. V diagnosticky důležitých aplikacích (letectví, jaderné elektrárny) - spolehlivost diagnostických systémů musí být o řád vyšší než spolehlivost

POŽADAVKY NA SHM SYSTÉM

10

jaderné elektrárny) - spolehlivost diagnostických systémů musí být o řád vyšší než spolehlivost monitorované konstrukce.

• Rozsah výstupních datových souborů musí být optimalizován (minimalizován) s ohledem na dálkový přenos, možnosti archivace, ale i výpočetní možnosti zpracovávajících a vyhodnocovacích zařízení.

• Snadnost instalace, kalibrace a nastavování parametrů měření i mezních hodnot, signalizujících výskyt poruchy či blízkost havárie.

• Ekonomické ukazatele - cena komponent a celého monitorovacího systému nemůže být pro vlastníka a uživatele neúnosná, např. srovnatelná s významnější částí ceny hlídaného objektu.


PŘIPRAVENOST INTEGRACE NDT METOD DO SHM SYSTÉMU LETADEL "TECHNOLOGY READINESS LEVEL" (9 úrovní, 150 POŽADAVKŮ)

11Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

BOEING 787 „DREAMLINER“ – „Smart“ a inteligentní konstrukce

50% váhy jsou kompozitové díly


„Embedded“ SHM = sensory, aktuátory, vyhodnocování

FBG technologie pro SHMoptická vlákna vkládaná do kompozitu

(imunita proti elektromagnetickému rušení, bez napájení,..)

optické vlákno L

Fiber-Bragg-Gratings

"Braggovy mřížky"jádro

procházejícíSignál

odraženýSignál

měřenýindukovaný

posun

λ λ λλb λb

I iI t

I r

perioda,Λ


• Optovláknové senzory založené na FBG mřížkách umožňují monitoring řady

fyzikálních parametrů, především:

teploty, mechanického napětí, deformace, tlaku, vibrací.

• Výhody oproti klasickým senzorům.: imunita proti elektromagnetickým rušením, malé rozměry, dlouhou životnost a v neposlední řadě i jejich pasivní charakter - tj. v místě měření není požadováno napájení a jejich napojení do místa měření je standardním telekomunikačním vláknem.

• Kromě toho lze senzory zapojit v sérii do řetězce, kdy mezi jednotlivými senzory může být několik centimetrů nebo kilometrů.

• Základními stavebními prvky systému jsou měřící ( interrogační ) jednotka, transportní – pasivní • Základními stavebními prvky systému jsou měřící ( interrogační ) jednotka, transportní – pasivní optická vlákna ( kabely ) pro přenos informace a vlastní FBG senzory. (SAFIBRA)



Použití:

�Tvarová adaptace („smart“ křídlo)

�Vibrační tlumení

�Detekce poškození nárazem

�Detekce delaminace, „debonding“,

Aktivní a pasivní systémy s piezo-aktuátory a snímači


Zdroj: Structures and Composites Laboratory Stanford University, Fu Kuo Chang

�Detekce delaminace, „debonding“,

a růstu trhlin


Typy Phased-Array


LINEÁRNÍ ARRAY




AcoustoCamDigital Acoustic Video (DAV)

120 x 120 = 14 400 elementů




Elastické Lambovy (deskové) vlny - disperzní (guided) (u komplexnějších geometrií jako jsou tyče, pruty, trubky, válce se šíříještě jiné typy dispersních vln )


k - vlnové čísloω− kruhová frekvencezd - tloušťka desky

Antisymetrické módy Symetrické módy

DISPERSNÍ KŘIVKY VE SMĚRU 0O

VRSTEVNATÉHO KOMPOZITU [0/90]S o tl. 6,2 mm


Actuator SenzorMoniitorovaná konstrukce

poškození nebo změny charakteristik

Základní disperzní křivky

Guided waves generationGuided waves generationGuided waves generationGuided waves generation

• Ultrazvukové „guided waves“jsou velmi citlivé na různé typy poškození

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 0.5 1 1.5 2 2.5

A0

S0

S1

Frequency thickness (MHz.mm)

Atte

nua

tion

K"

(mm-1

)

(b)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5Frequency thickness (MHz.mm)

A0

S0

S1

Wav

e-n

um

ber

K' (

mm

-1)

(a)


Translation stage

R T

Translation stage

R T

Two air-coupled transducers placed on the same side of the specimen�single-sided and contact-less access

Signal processing based on 2D-FFT�Real part k’

EXPERIMENTEXPERIMENTEXPERIMENTEXPERIMENTÁLNÍ ÁLNÍ ÁLNÍ ÁLNÍ PROCEDURPROCEDURPROCEDURPROCEDURAAAA

Guided ultrasonic waveGuided ultrasonic wave Tested structure

�Real part k’ �Imaginary part k’’of the complex wave numbers vsfrequency


•Measurement of the Elastic Constants•Measurement of Residual Stress•Measurement of Steel Sheet Texture •Ultrasonic Inspection of Wire Cables with Guided Waves •Long Range Inspection of Railroad Tracks •Long Range Inspection of Heat Exchanger Tubes•Inspection of Buried Gas Pipelines •Ultrasonic Inspection of Piping at Pipe Supports •Inspection of Pipes by Guided, Circumferential Waves •Rayleigh or Surface Waves

EMAT(ELECTROMAGNETIC – ACOUSTIC TRANSDUCER)

fokusace meandrovitými cívkami

•Rayleigh or Surface Waves•Rapid Inspection of Mass Produced Parts with Irregular Shapes


Laser-Ultrasonic NDT

Contact Laser Ultrasonic Evaluation (CLUE) of CFRP


CLUE delaminace



CLUE of honeycomb


CLUE CFRP dílu


CLUE T- spojení


CLUE poškození impaktem


CLUE porézního CFRP


SPOJENÍ DVOU ULTRAZVUKOVÝCH NDT METOD V SHM SYSTÉMU:

NELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÉ SPEKTROSKOPIE (NEWS)A AKUSTICKÉ EMISE (AE)

38Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Metoda akustické emise Metoda akustické emise AEAE u kompozitůu kompozitů

1. Různé typy zdrojů AE v kompozitech a jejich odlišné charakteristiky (mixing)

2. Šíření vln akustické emise v kompozitech – anizotropie + diperze + útlum

3. Různé způsoby detekce, přenosu a zpracování signálu AE

4. Statistické vyhodnocení parametrů signálu

5. Lokalizace a rozpoznávání zdrojů AE




Příklad signálu AE

0.2

0.4

0.6

0.8

P vlnaS vlna

Rayleighova vlna

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

Vo

lt

42Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

PARAMETRY EMISNÍHO HITU (UDÁLOSTI)


DALŠÍ PARAMETRY - „SIGNAL FEATURES“


SHM – DETEKCE POŠKOZENÍ A ROZPOZNÁVÁNÍ MECHANISMŮ


feature based (blue) and signal based (green) analysis

History - Research and Applications of AE on Advanced Composites(K. ONO, A. GALLEGO: 31 EWGAE, Granada 2014, www.ndt.net/EWGAE-ICAE2012/)

• glass-fiber reinforced composite rocket motorcases for Polaris A3 circa 1962

• summation of AE amplitude to successfully predict the burst pressure and developed practical AE sourcelocation equipment, introduced Kaiser effect and load-hold emissions to the burst pressure prediction• on fiber-reinforced composites started in early 1970s, showed the breakdown of Kaiser effect (CARP later renamed it as Felicity effect in the 1980s. aircraft fuselage with carbon fibers Boeing 787

• Fowler and his colleagues at CARP made the Felicity effect as one of key elements of FRP inspection technology

• AE methods to structural health monitoring (SHM) do have to overcome problems due to high signal attenuation in composites and need to explore the causes of Felicity effect and stress rupture


attenuation in composites and need to explore the causes of Felicity effect and stress rupture

• Fiber fracture: typical 10-μm diameter GFRP, peak amplitude ranges from 60-80 dB - depends on the fiber diameters and sensors

• on distance 10 mm: 40-60 dB for 6 μm, 65-85 dB for 13 μm and 80-100 dB for 24 μm fibers

• high amplitude AE signals of 60 dB mean level were found at above 90% of the failure load

• 18-μm glass fibers and found peak amplitude of fiber fracture at 80 dB,

• AE mean amplitude of 73 (53-79) dB (58 dB for 11-μm GF);

• AE signals from CF started to occur at 25-33% of the composite strength

kontrolní testy: a) delaminační (S0 mód << energie než A0)b) mikrotrhliny (působení acetonu na pryskyřici, ampl.< 50 dB)c) porušování vláken (vytahování zalaminovaného svazku)

ROZLIŠENÍ ZDROJŮ (DIPERSNÍCH MÓDŮ) NA ZÁKLADĚ FREKVENČNÍ ANALÝZY

max . 250-350 kHz max . 350-500 kHz


RT klasifikace AE Lambových vln v CFRP (AIRBUS)(A. Gallego et al, 31 EWGAE, Granada 2014, www.ndt.net/EWGAE-ICAE2012/)

SHM:_Delaminace- nelze detekovat vizuálními metodami-delaminace vyvolávají většinou.... out-of-plane (OP) posuvy (např. impakty) - A0 mód-mikrotrhliny v matrici a přetrhy vláken ..... in-plane (IP) posuvy - S0 módproto lze použít AE vyvolané Lambovy vlny - díky kombinaci různých dispersních módů, odrazů, útlumu a interferencí

separací módů lze klasifikovat EU do 3 mechanismů porušování:1. delaminace (nf pásmo 20-55 kHz)2. mikrothtrhliny v matrici (125-550 kHz)3. přetrhávání vláken (550-660 kHz)

Algoritmus separace: na základě frekvenčního obsahu (HW a SW filtrace pásem nf a vf)

55-125 kHz odfiltrováno - A0 i S0 se zde překrývají a mají podobné amplitudy


ÚLOHY SPOJENÉ S IDENTIFIKACÍ ZDROJŮ AE’Notes on wave and waveguide concepts in AE’, 25th EWGAE, Prague, September 2002

49Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

AE zdroje lze identifikovat jednoduchým kinematickým modelem :

Pole posuvů, zaznamenaných u snímače je s použitím reprezentačního teorému probodový "seismický" zdrojvyjádřeno pomocí Greenovy funkce jako :

za určitýchpředpokladů

Maticový zápis

Inverze

Popis zdroje AE pomocí MTI

Neznámý skutečný AE zdroj je nahrazen mechanickým modelem - silami a momenty, které vyvolají ekvivalentní pole posuvů jako reálný. Fyzikální podstata zdroje není ale touto procedurou přímo určena -jsou pouze kvantifikovány vnější účinky zdroje.

Řešení IP lze pak uvažovat jako vícenásobnou proceduru dekonvoluce

50Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

1 . D e t e k c e a k v a n t i f i k a c e p ř í m á ú l o h a

2 . L o k a l i z a c e z d r o j eI n v e r z n í p r o b l é m y

3 . I d e n t i f i k a c e z d r o j e

3 hlavní problémy v analýze AE

REFERENCE - soudobé metody řešení inverzních problémů v AE :REFERENCE - soudobé metody řešení inverzních problémů v AE :

Ch U Grosse , M Ohtsu (eds), ‘Acoustic Emission Testing. Basic for Research - Application in Civil Engineering’, (Spriger-verlag, 2008)

A Carpinteri, G Lacidogna (eds), ‘Acoustic Emission and Critical Phenomena: From Structural Mechanics to Geophysics’,

(CRC Press, Taylor&Francis Group, 2008)

G Muravin, B Muravin, D Beilin, ‘Application of Quantitative Acoustic Emission Method for Non-Destructive Inspection of

Metal and Reinforced Concrete Structures – New Opportunities and Prospects’,(Scientific Israel, Spec. Issue, Vol 13 (2-3), 2011)

51Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

PLOŠNÁ LOKALIZACE

Vzdálenost mezi zdrojem a snímačem S1 je dána rovnicemi:(D1 a D2 jsou vzdálenosti mezi páry snímačů S1-S2 a S1-S3)


LOKALIZACE POMOCÍ UMĚLÝCH NEURONOVÝCH SÍTÍ (ANN)S ČASOVÝMI PROFILY PŘÍCHODU SIGNÁLU

(NEZÁVISÍ NA VELIKOSTI A MATERIÁLU TĚLESA )


Inverzní techniky v AE

• Inverzní metody se používají k určení lomového typu - orientace

trhliny a „seismických momentů“ (MTI), které popisují

mechanismus zdroje – vyzařovací diagram a velikosti působících

sil a momentů.

Ohtsu M, Ono K, The generalized theory and source representation of AE,

JAE 4 (2), S50-S53, 1985, 5(4), 124-133, 1986

sil a momentů.

• Vstupní data pro MTI jsou:

- souřadnice snímačů a zdroje

- polarita a orientace snímačů

- amplitudy posuvů P, S, (R) – vln

- polarity a fáze vln

54Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

1. Nová metoda řešení inverzních problémů v analýze AE

2. Časově reverzní zrcadla (Time Reversal Mirrors)

3. Lokalizace zdrojů AE pomocí TR

TRAED

4. TR dekonvoluce signálu AE (TRAED)

5. Přenos signálů AE na model

55Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

PRINCIP TRM (časově reverzní zrcadlo)

23 let historie

N SENZORŮ OKOLO ZDROJE

[ Fink M: Time reversal of ultrasonic fields: basic principles. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr.

39, 555–66, 1992][Cassereau D, Fink M: Time reversal of ultrasonic fields: theory of the closed time reversal cavity. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 39 579–92, 1992]

ČASOVÉ OBRACENÍ ZVUKOVÝCH VLN

56Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

OBRÁCENÍ VLNOVÉHO ČELA = TIME REVERSAL ACOUSTICS

Princip TRA


58Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

2 implementace TR:

zdroj signálu

a) standardní TR

steps in TR

Procedura časové reverzace signálu

- S/N ratio enhancement- Space / time focusing- Source signal reconstruction

Used to precisely focus elastic waves in time and space even in complicated heterogeneous and scattering media

B. E.. Anderson, M. Griffa, C. Larmat, T.J. Ulrich, P.A. Johnson: Time Reversal(Acoustics Today, Volume 4, Issue 1, January 2008)

a) standardní TR

b) reciproká TR

59Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Vychází z faktu, že akustická vlnová rovnice v nedisipativním heterogennímmediu je invariantní vzhledem k operaci časové reverzace.

TTeeororieie TRMTRM

TR operace je popsána transformací t → T − t

a novou zdrojovou funkci lze vyjádřit :

Výsledné pole pak má tvar:

60Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Dekonvoluce signálu AE s využitím TRM

Funkci bodového zdroje v místě r0

označíme s(t) a pozice snímače je ri

Signál detekovaný v místě ri

v čase t je výsledkem 2 konvolucí:sG (t)

Zaznamenané AE signály jsou obráceny v čase a vyslány ze snímače v místě rido desky.

Výsledný TR signál v místě r0

lze vyjádřit vícenásobnou konvolucí :

Ve frekvenční oblasti

Po inverzní FT získáme TR signál – odpovídající rekonstrukci zdrojové funkce s(t)

61Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Schema principu experimentální dekonvoluce.

!! Výsledný TR signál (?) je úměrný původnímu, vysílanému zdrojem !!!významný závěr pro lokalizaci a následnou analýzu zdroje AE

Při standardním měření AE většinou analyzujeme signály, které neodpovídají přímozdrojem emitované vlně, ale jsou ovlivněny šířením elastické vlny konstrukcí a taképřenosovými funkcemi snímačů a analyzátoru AE.

62Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Experimentální ověření TR AE dekonvoluce

deska500 x 500 mm500 x 500 mm

4 snímače (T1-T4)

5 “zdrojů” (S1-S5)

63Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

SCANNING OF TRANSFER MESHES USING LASER INTERFEROMETERMOUNTED ON 3-D ULTRASONIC SCANNER

by 3 mm steps in both directions

TR Pen-Test signals were transmitted by transducers T1-T4 and maximal TR amplitude received by interferometer

indicates precise original source position

64Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

TR AE Lokalizace zdroje

T1+t1=T, T2+t2=T, T3+t3=T

65Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Zdrojový signálRickerův puls

150 kHz

DOKONALÁ SYNCHRONIZACE ČASŮ PŘÍCHODU TR SIGNÁLŮA REKONSTRUKCE V MÍSTĚ ZDROJE

150 kHz(190 vzorků)

66Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

AE SOURCE LOCATION ACCURACYFocusing of TR signal at the source position

amplitude

67Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200-2

0

2

6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200-2

0

2 6 6.05 6.1 6.15 6.2

x 104

-2

0

2

6 6.05 6.1 6.15 6.2

-1

0

1

2

6 6.02 6.04 6.06 6.08 6.1

x 104

-2

0

2

6 6.02 6.04 6.06 6.08 6.1-1

0

1

2

PEN –Test na složité součástce

T1

T2

TR – SIGNAL RECONSTRUCTION OF

6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200

-2

0

2

6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200-2

0

2

6 6.05 6.1 6.15 6.2

x 104

6 6.05 6.1 6.15 6.2

x 104

-1

0

1

2

6 6.05 6.1 6.15 6.2

x 104

-2

0

2

6 6.05 6.1 6.15 6.2

x 104

-1

0

1

2

6 6.02 6.04 6.06 6.08 6.1

x 104

6 6.02 6.04 6.06 6.08 6.1

x 104

-2

0

2

6 6.02 6.04 6.06 6.08 6.1

x 104

-2

0

2

6 6.02 6.04 6.06 6.08 6.1

x 104

-1

0

1

2

T3

T4

AVERAGEFROM 4

TRANSDUCERS

68Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Zobrazení špatně viditelných defektů po impaktuna vrstevnaté CFRP desce pomocí "air-coupled" UZ TRM

P.-Y. Le Bas et al: Applied Physics Letters 107, 184102 (2015)

Deska150x300mm


40x20 mmokolo impaktu

(5 cyklů sin 100 kHz)

zobrazení

speciální "air-coupled" vysílač s 32 piezo-sondami s klínovými nástavci

Vibrotermografie

TRM skenování na síti 0,5 mm

UZ C-scan

out-of-plane in-plane (podél x-směru)

fokusace pomocí TR složky rychlosti:

klasické NDT metody

Zobrazení delaminační trhliny klasickými NDT metodami a TRM


viditelné 2 delaminace

• TR techniky jsou velmi efektivním nástrojem pro přesnou lokalizaci zdroje AE a rekonstrukci rekonstrukci zdzdrojové funkce (dekonvoluci)

• TRAED procedura usnadňuje rozpoznávání emisních zdrojů. Může být snadno realizována jak experimentálně, tak bez dalších zařízení např.pomocísimulačního modelu

• TRM je procedura off-line, ale lze ji realizovat ve relativně krátkém čase

• Nejvhodnější prostředek pro TR je laserový interferometr, ale dobré výsledky • Nejvhodnější prostředek pro TR je laserový interferometr, ale dobré výsledky lze získat i pomocí jiných snímačů.

• Rozptyl parametrů signálů AE, detekovaných z jednoho zdroje více snímači, se po TR sníží o více než 90%

• Rekonstrukce zdrojové funkce pro následnou MTI analýzu není dokonalá pokud pokud je TR prováděna pouze v jednom směru

• TRM mohou podstatně zlepšit odstup signálu od šumu

71Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

NELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÁSPEKTROSKOPIE (NEWS)

V NEDESTRUKTIVNÍM TESTOVÁNÍ

72

V NEDESTRUKTIVNÍM TESTOVÁNÍKONSTRUKCÍ


Modely nelineární elasticityKlasický nelineární modelje odvozen na základě rozvoje hustoty deformační energie W. Pro izotropní prostředí lze hustotu deformační energie psát jako funkci invariantů tenzoru deformace

λ, µ jsou Lamého konstanty a l,m,n jsou Murnaghanovy koeficienty


Nelineární modul elasticity odvozený z rozvoje hustoty deformační energie můžeme vyjádřit rozvojem

K0 je lineární Youngův modul pružnosti a β , resp. δ jsou nelineární parametry druhého, resp. třetího řádu. Parametr β je funkcí elastických konstant 2. a 3. řádu a δ až 4. řádu

TECHNIKY "NEWS"

• NRAS / NRUS (Nonlinear Resonant Acoustic / Ultrasonic Spectroscopy)

• SIMONRUS (Single-Mode NRUS)

• NWMS (Nonlinear Wave Modulation Spectroscopy)

• SD (Slow Dynamics)

• NDIS (Nonlinear DISsipation / attenuation)

• Travelling Waves (Nonlinear ultrasonic wave transmission)

74

• Travelling Waves (Nonlinear ultrasonic wave transmission)

• NLTRA (Nonlinear Time Reversal Acoustics)

Výhody a omezení NEWS technik :- Detekce malých defektů dosti vzdálených od ultrazvukových budičů a snímačů

(NDT na nepřístupných místech rozlehlé konstrukce)Nelineární efekty ve spektru: - Vznik intermodulačních postranních pásem - Převládající nárůst lichých harmonických složek s rostoucí amplitudou buzeníLokalizace defektních oblastí- Závislost nelineárních parametrů na poloze budičů a snímačů ("pseudo-tomografie")


Projev nelinearity ve spektru


Některé materiály a poškozené součásti vykazují

"neklasickou" elastickou nelinearitu

Analýza signálů v časové a frekvenční oblastiv nelineární akustické spektroskopii

1 1

poškozený vzorek nepoškozený vzorek


z0i

i

500

0 2 4 6 8 101

0.5

0

0.5

10

50

z0i

8060 i

1060

60 65 70 75 80

40

20

0

z0i

i

500

0 2 4 6 8 101

0.5

0

0.5

10

50

z0i

8060 i

1060

60 65 70 75 80

40

20

0

čas (ms) čas (ms)

Frekvence ( kHz) Frekvence (kHz)



Nelineární reverberační spektroskopie CFRP vzorků vystavených teplotní degradaci


Nelineární (NRS) koeficient ("sklon" ) Klasický C-scan




Hole

Radiated signal

Reflected

Vibrator

Ultrasonic pulse generator

PULSNĚ - MODULAČNÍ METODA LOKALIZACE TRHLINY


Crack

signal signals

t

Received signal

Receiver (Oscilloscope)

f1

f2

Budící zdroje

Přijímače

Nelineární vlnově-modulační spektroskopie (NWMS - Nonlinear Wave Modulation Spectroscopy)


Analýza harmonických složek Intermodulačních produktů

frekvence

Amplituda

1fA

2fA

f1 f22f2 3f2

PRINCIP 2-FREKVENČNÍHO SMĚŠOVÁNÍ INTERMODULAČNÍ TECHNIKY( "NWMS" )

Prostýsoučetv lineárnímsystému


násobení

Sčítání anásobení vnelineárnímsystému

Nelineární interakcí harmonických vln s nižší a vyšší frekvencí dochází ke vzniku harmonických a intermodulačních složek ve spektru


ch2 - Harmonics (f1) growth

y = 0.93x + 30.81

30

40

50 H1

H2

H3

H4

H5

ch3 - Harmonics growth

y = 0.93x + 30.87

y = 1.06x + 19.4030

40

50

H 1-9

H1

H2

H3

H4

H5

Příklad: 2 FREKVENCE: f1 = 50 kHz (65-350 V) + f2 = 271 kHz (24 V)

Rnr = dHn /dHr – poměr regresních koef. nárůstuspektr. parametrů s amplitudou


y = 1.33x + 9.89

y = 0.64x - 4.01

-10

0

10

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

input amplitude step

H5

H6

H7

H8

H9

y = 1.06x + 19.40

y = 1.34x - 1.89

-10

0

10

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11input amplitude step

H6

H7

H8

H9

MODEL LOKALIZACE DEFEKTŮ(pseudo-tomografie)


Nelineární TRA (NLTRA, NLTRM)

� Při TRA metodě se zpětně vyslané signály v lineárním slabě zatlumeném prostředí šíří opačným směrem a fokusují se do místa původního zdroje, kde dochází k rekonstrukci vyslané vlny.

� V prostředí s nelinearitami (nehomogenity, defekty) se zpětně vysílané vlny

89

� V prostředí s nelinearitami (nehomogenity, defekty) se zpětně vysílané vlny koncentrují (retrofokusace) v oblasti nelinearit a rekonstrukce signálu u zdroje je nedokonalá, čehož využívá defektoskopická metoda nelineární TRA (NonLinear Time Reversal Acoustics, NLTRM).

� Metody NLTRA, na rozdíl od jiných metod nelineární ultrazvukové spektroskopie (Nonlinear Wave Spectroscopy, NEWS), nevyžadují tak velké akustické výkony pro vybuzení nelineárních efektů (defektů v konstrukci)


SCHEMA EXPERIMENTÁLNÍHO VYBAVENÍ PRO TESTY METODOU TRA


TR PROCEDURA NA VZORKU PANELU KŘÍDLA S TRHLINOU


0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 106

-60

-40

-20

0

20

40

60

80avg JOIN - 1; F1= 235k, F2 = 0k

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 106

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60avg JOIN - 2; F1= 235k, F2 = 0k

-40

-20

0

20

40

60

80avg JOIN - 3; F1= 235k, F2 = 0k

-40

-20

0

20

40

60

80avg JOIN - 4; F1= 235k, F2 = 0k

Frekvenční spektra TR signálů

S1 S2

S3 S4


0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 106

-400 0.5 1 1.5 2 2.5

x 106

-40

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 106

-40

-20

0

20

40

60

80avg SUM - 1; F1= 235k, F2 = 0k

S1+S2+S3+S4

2f1 3f1 4f1

f1=235 kHz

5f1 7f1 9f1

TR signál : Zoom oblasti fokusace Spektrum červeného signálu=>

VÝSLEDKY TR-NEWS


TR signál :

retro-fokusace signálu

s nelineární analýzou

na středním laloku

- zelená : TR signál

- modrá : TR signál

převrácený o 180°

- červená = zelená + modrá

---> vyhodnocení nelinearity

=>

nelineární efekt na frekvenci

f1+f2=1065 kHz

Závěr : TR-NEWS => Hodnocení lokální nelinearity

ESAM procedura extrakce nelinearit 3. řádu

ESAM = Excitation Symmetry Analysis Method

• Vychází z analýzy symetrie vlastností bodové grupy C3

• Umožňuje extrakci nelineárního parametru – koeficientu N3 z nelineární odezvyy na buzení x. Odezva je uvažována jako polynomiální funkce 3. stupně

32


• K extrakci nelineární části 3. stupně se použijí 3 fázově posunuté excitace :

• Pro každou excitaci x je změřena odezva y :

)()()()( 33

221 txNtxNtxNty ++=

)()( txtxE = 32

* )()(π

εi

etxtx−

⋅=32

)()(π

εi

etxtx ⋅=

)(tyE )(* tyε)(tyε

Extrakce nelineárních parametrů• Nelineární člen 3. řádu je odvozen z měřené odezvy na buzení x :

• K potlačení primární excitace x se použije výpočet energie:

• Nelineární parametr N získáme pomocí vztahu:

3

)()()()()( *3

33tytyty

txNts E εε ++==

∫= dttxE23

03 )( 032

323

33 )( ENdttxNE == ∫


• Nelineární parametr N3 získáme pomocí vztahu:

03

33 E

EN =


�NELINEÁRNÍ METODY (NEWS, NLTRM) JSOU V DEFEKTOSKOPII AŽ 1000 x

CITLIVĚJŠÍ NEŽ LINEÁRNÍ

�NEJSOU VŠAK CITLIVÉ NA KONSTRUKČNÍ VRUBY RESP. ROZEVŘENÉ DEFEKTY

�TRA UMOŽŇUJE FOKUSACI ENERGIE DO POŠKOZENÝCH OBLASTÍ A TÍM

SNIŽUJE NÁROKY NA VYVOLÁNÍ NELINEÁRNÍCH EFEKTŮ

NLTRM JE NOVOU, VYSOCE CITLIVOU METODOU DETEKCE VELMI MALÝCH A TĚŽKO

ZÁVĚRY

97

� NLTRM JE NOVOU, VYSOCE CITLIVOU METODOU DETEKCE VELMI MALÝCH A TĚŽKO

ROZLIŠITELNÝCH DEFEKTŮ

� KOMBINACE NLTRM S POČÍTAČOVÝMI SIMULACEMI UMOŽŇUJE TAKÉ LOKALIZOVAT A ZOBRAZOVAT DEFEKTY

� TRA KOMPENZUJE VLIVY DISPERSE U TENKOSTĚNNÝCH

KONSTRUKCÍ


Ultrazvuková charakterizace anisotropie CFRPpomocí kruhové sondy s osmi piezoelektrickými elementy


M. Kling, D. Tokar, Z.Prevorovsky: Ultrasonic Characterization of CFRP Anisotropy.

(Proc. of the 6th Internat. conf. "SPMS 2015", Drhleny , June 22-27, 2015, ISBN 978-80-01-05841-1, pp. 71-80)

VLIV POŠKOZENÍ NA RYCHLOSTI A RŮST POMĚRU HARMONICKÝCH SLOŽEKS ROSTOUCÍ AMPLITUDOU BUZENÍ

Nepoškozenádeska CFRP

Deska CFRPpoškozenáimpaktem


DĚKUJI VÁM

ZA POZORNOST

100Seminář ČSM

ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Date post:	16-Mar-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

ZZdedenněěk PŘEVOROVSKÝŘEVOROVSKÝ, · • Fowler and his colleagues at CARPmade the Felicity...

Documents